Celbypass: hoe één zwakke schakel een hele keten niet meer kapot maakt
Stel je een ouderwetse kerstboomslinger voor: alle lampjes staan in serie, achter elkaar. Gaat er eentje stuk, dan doet de hele slinger het niet meer. Celbypass is de technologie die dit probleem oplost, maar dan in zonnepanelen en batterijen in plaats van kerstverlichting. Het zorgt ervoor dat stroom om een zwakke, beschadigde of beschaduwde cel heen kan stromen, zodat de rest van het systeem gewoon doorwerkt.
In de praktijk zit celbypass al in bijna elk zonnepaneel dat op een dak ligt, en onderzoekers werken hard aan vergelijkbare systemen voor batterijpakketten in elektrische auto's en energieopslag. Het idee is simpel, maar het effect is groot: zonder bypass kan één vogelpoepje op een zonnepaneel of één iets zwakkere batterijcel de prestaties van een heel systeem drastisch verlagen, of zelfs schade veroorzaken. Met bypass blijft het probleem lokaal.
Wat is het precies?
Zonnepanelen en batterijpakketten bestaan uit meerdere cellen die in serie zijn geschakeld, dat wil zeggen achter elkaar, net als de lampjes in de slinger. Serieschakeling is nodig om een hogere spanning te krijgen dan één enkele cel kan leveren. Het nadeel: in een serieschakeling moet dezelfde stroom door elke cel heen. Als één cel minder stroom kan leveren of doorgeven, dan bepaalt die ene zwakke cel de prestatie van de hele groep.
Bij zonnepanelen gebeurt dit bijvoorbeeld als een blad, een schaduw van een schoorsteen of vogelpoep een deel van het paneel afschermt. De beschaduwde cellen leveren minder stroom en kunnen, omdat de andere cellen wel vol vermogen willen leveren, zelfs van stroomleverancier naar stroomverbruiker veranderen. Daardoor warmen ze op, wat kan leiden tot een zogenoemde hotspot: een brandplek op het paneel.
De oplossing is een bypass-diode, een elektronisch onderdeel dat normaal gesproken geen stroom doorlaat, maar automatisch 'opent' zodra een cel of een groepje cellen te veel spanningsverlies veroorzaakt. De stroom neemt dan de kortere weg via de diode, om de probleemcellen heen, in plaats van erdoorheen. De rest van het paneel blijft zo gewoon stroom leveren.
Bij batterijen werkt het principe vergelijkbaar, maar ingewikkelder. Een batterijpakket, zoals in een elektrische auto, bestaat uit honderden of duizenden losse cellen in serie en parallel geschakeld. Eén cel die sneller verouderd is, beschadigd is of een interne kortsluiting ontwikkelt, kan de capaciteit en veiligheid van het hele pakket beperken. Onderzoekers ontwikkelen daarom elektronische schakelaars, vaak gebaseerd op halfgeleiders zoals MOSFET's, die een individuele cel kunnen loskoppelen of ompassen (bypassen) zonder dat de rest van het pakket moet stoppen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van celbypass is robuustheid: een systeem dat doorfunctioneert, ook als niet elk onderdeel perfect is. Voor zonnepanelen betekent dit minder opbrengstverlies door schaduw en vooral bescherming tegen brandgevaarlijke hotspots. Zonder bypass-diodes zouden zonnepanelen op daken met bomen, schoorstenen of andere obstakels snel beschadigd raken.
Voor batterijen liggen de belangen nog hoger. Elektrische auto's en grote batterijopslagsystemen voor het elektriciteitsnet moeten veilig en lang meegaan. Eén falende cel kan in het slechtste geval leiden tot thermal runaway, een kettingreactie van oplopende temperatuur die uiteindelijk tot brand kan leiden. Door een probleemcel vroeg te herkennen en elektronisch te isoleren, hoopt men dit risico te verkleinen.
Daarnaast speelt economie een rol. Een batterijpakket wordt vaak afgeschreven zodra de zwakste cel de grens bereikt, ook al zijn de andere cellen nog prima. Als je de zwakke cel kunt bypassen in plaats van het hele pakket te vervangen, gaat de levensduur van het geheel omhoog en wordt minder materiaal verspild. Dat is ook relevant voor de tweede leven-markt, waarin afgedankte auto-accu's een nieuw bestaan krijgen als stationaire opslag.
Voorbeelden uit de praktijk
Bypass-diodes in zonnepanelen zijn geen nieuwe uitvinding: ze zitten al sinds de jaren tachtig in commerciële kristallijnsilicium-panelen en zijn tegenwoordig verplicht volgens internationale veiligheidsnormen zoals IEC 61215.
Een stap verder dan de simpele diode is de zogeheten module-level power electronics (MLPE), elektronica per paneel die schaduwverlies nog slimmer compenseert. Bedrijven als Tigo Energy (opgericht in 2007, Californië) en SolarEdge (opgericht in 2006, Israël) verkopen optimizers die per paneel of per celgroep het vermogen bijsturen, een geavanceerdere broer van de klassieke bypass-diode.
Op batterijgebied is het onderzoek minder volwassen, maar wel actief. Aan Imperial College London werkt de onderzoeksgroep van professor Gregory Offer al jaren aan 'reconfigurable batteries': pakketten waarin elektronische schakelaars individuele cellen tijdens bedrijf kunnen bypassen of herschakelen, gepubliceerd in verschillende wetenschappelijke artikelen in de jaren 2020-2023.
Het Schotse bedrijf Dukosi, opgericht in 2013 in Edinburgh, ontwikkelt chips die direct op elke batterijcel worden geplakt en die cel individueel kunnen bewaken en indien nodig elektronisch isoleren. Dit wordt onder meer getest in samenwerking met voertuigfabrikanten voor elektrische bedrijfswagens.
In de energieopslagsector passen fabrikanten van grote batterijcontainers, zoals die worden gebruikt bij zonne- en windparken, vaak module-niveau bescherming toe: zekeringen en schakelaars die een defecte module uit het systeem kunnen halen zonder de rest van de installatie stil te leggen. Dit is minder verfijnd dan bypass op celniveau, maar volgt hetzelfde principe.
Hoe ver is de techniek?
Voor zonnepanelen is celbypass volledig volwassen en gestandaardiseerd technologie; iedereen die een zonnepaneel koopt, heeft er al bypass-diodes in zitten zonder het te weten. Hier is geen doorbraak meer te verwachten, hoogstens incrementele verbeteringen via MLPE-systemen.
Voor batterijen is het verhaal anders. Actieve celbypass op het niveau van individuele cellen in een groot pakket is nog grotendeels onderzoek en vroege commercialisering. De belangrijkste technische obstakels zijn kosten (elke extra schakelaar en sensor kost geld en ruimte), betrouwbaarheid van de schakelaars zelf over de levensduur van het pakket, en de complexiteit van de besturingssoftware die moet beslissen wanneer een cel wordt gebypast.
Er is nog geen brede, sectorbrede standaard zoals bij zonnepanelen. Verschillende bedrijven en universiteiten experimenteren met eigen architecturen, en het is nog onduidelijk welke aanpak dominant zal worden, of dat celbypass voor batterijen uiteindelijk alleen in specifieke toepassingen (zoals grote stationaire opslag) wordt gebruikt en niet in compacte toepassingen zoals auto's, waar ruimte en gewicht kritisch zijn.
Wie werken eraan?
Op het gebied van zonnepanelen zijn de grote gevestigde namen SolarEdge en Tigo Energy actief met geavanceerde vormen van bypass-achtige elektronica, naast de talloze paneelfabrikanten die standaard bypass-diodes toepassen volgens de normen van de International Electrotechnical Commission (IEC).
Op batterijgebied lopen universiteiten voorop in het onderzoek, met name Imperial College London in het Verenigd Koninkrijk en diverse Duitse onderzoeksinstituten die zich bezighouden met batterijmanagementsystemen. Daarnaast zijn er gespecialiseerde start-ups zoals Dukosi in Schotland die chiptechnologie voor celbewaking en -isolatie ontwikkelen.
Ook de Amerikaanse overheid, via het Department of Energy, financiert onderzoek naar veiligere en langer meegaande batterijpakketten waarin celniveau-bescherming een rol speelt. Grote batterijfabrikanten zoals CATL en LG Energy Solution houden de ontwikkelingen nauwlettend in de gaten, al communiceren zij zelf minder openlijk over specifieke bypass-implementaties in hun commerciële producten.